記者11月16日從中國科學院高能物理研究所獲悉，位于甘孜州稻城縣的高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）首次系統(tǒng)性探測到五個由黑洞和伴星相互作用形成的微類星體的超高能伽馬射線信號，產生這些輻射的粒子能量處于宇宙線能譜的“膝”區(qū)。此次研究由中國科學院高能物理研究所牽頭的國際研究團隊完成，相關論文成果在國際學術期刊《國家科學評論》（英文版）和《科學通報》（英文版）上發(fā)表。

高能伽馬射線源，被認為是宇宙線起源線索。“膝”是宇宙線的能譜（宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）在3千萬億電子伏附近呈現(xiàn)出的一個拐折結構，形狀類似人體膝關節(jié)。“膝”及以上能量更高的宇宙線數(shù)量急劇減少。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了宇宙線起源的關鍵機制，也為理解黑洞系統(tǒng)的極端物理過程打開了新窗口。

據(jù)介紹，黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天體之一，處于雙星系統(tǒng)中的黑洞在吸積伴星物質時可產生相對論性噴流，形成“微類星體”。拉索首次系統(tǒng)性地探測到來自SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070與Cygnus X-1等五個微類星體的超高能伽馬射線。其中，SS 433的超高能輻射與周圍巨型原子云重合，強烈暗示來自于被黑洞加速的高能質子與物質的碰撞。分析表明該系統(tǒng)加速的質子能量超過1 PeV，總功率高達約每秒1032焦耳，相當于每秒釋放四百萬億顆人造最強炸彈——“沙皇”氫彈的能量。而來自V4641 Sgr的伽馬射線能量達到0.8 PeV，成為又一個“超級PeV粒子加速器”，即產生這些伽馬射線的父輩粒子能量超過10 PeV。這使得微類星體成為銀河系內非常重要的一類PeV粒子加速器，解決了困擾科學家多年的一個難題：銀河系內公認的宇宙線源是超新星遺跡，但觀測和理論都發(fā)現(xiàn)它們無力將宇宙線加速到宇宙線“膝”及以上的高能量。

“拉索”首席科學家、中國科學院院士曹臻介紹，近70年前科學家發(fā)現(xiàn)“膝”以來，一直未弄清其成因，只是被猜測為加速源天體加速能力極限所致，呈現(xiàn)為宇宙線能譜從一個簡單的“冪律譜”轉換為另一個簡單的“冪律譜”。要真正理解這個問題，必須精確測量宇宙線各成分的能譜及各自的“膝”。首先是最輕的原子核——質子的能譜分布。然而，“膝區(qū)”的宇宙線稀少，衛(wèi)星探測器面積有限，探測如同大海撈針；地面實驗受大氣層干擾，很難清晰地將質子從大量其他原子核產生的事例中識別出來。長期以來，這一測量是公認不可能完成的任務。拉索巧妙利用其強大的地面觀測裝置，采用多參數(shù)測量技術成功篩選出大統(tǒng)計量的高純度質子樣本，從而精確測量其能譜，精度媲美衛(wèi)星實驗。這一突破性的測量揭示了完全超出預期的能譜結構，清晰展現(xiàn)出一個新的“高能組分”而非簡單的冪律轉換。拉索的新結果與AMS-02測得的低能組分、“悟空號”測得的中能組分一起，揭示了銀河系內存在多種類的加速源，每一類有各自獨特的加速能力和能量范圍，而“膝”正是產生高能組分的源的加速極限表現(xiàn)。

質子能譜的復雜結構表明，PeV能段的宇宙線質子主要來自微類星體這類“新源”，它們具有明顯高于超新星遺跡的加速極限，能夠產生超過“膝”的高能宇宙線。兩項成果相互印證，構建起一個完整的科學圖景。這不僅為解決困擾學界近70年的“膝區(qū)成因”難題邁出了關鍵一步，也為理解黑洞在宇宙線起源中的作用提供了重要的觀測證據(jù)。

拉索的復合型探測器陣列設計，使我們既能夠通過超高能伽馬射線探測宇宙射線的源天體，也能夠對太陽系附近的宇宙線粒子進行精確測量，既從天體源端看到了PeV能量的加速能力，又從宇宙線端看到了這類源所貢獻的能譜特征。這是第一次在觀測上將“膝”結構與具體類型的天體——黑洞噴流系統(tǒng)關聯(lián)起來。

高海拔宇宙線觀測站由中國科學家自主設計、建設并運行。憑借在伽馬天文探測與宇宙線精確測量兩方面的高靈敏度，該觀測站在高能伽馬射線天文和宇宙線物理領域處于領先地位，且持續(xù)取得具有全球影響力的突破性成果。這些成就彰顯了中國在基礎科學研究領域的創(chuàng)新實力，體現(xiàn)了中國智慧對人類文明的貢獻，尤其是在對宇宙極端物理過程的認知層面。